El origen de la vida: la teoría moderna del origen de la vida
¡Lee este artículo para aprender sobre la Teoría Moderna, también conocida como Teoría de Origen de la Vida Oparin-Haldane!
Teoría moderna o teoría de origen de la vida de Oparin-Haldane:
Según esta teoría, la vida se originó en la Tierra primitiva a través de procesos físico-químicos de átomos que se combinan para formar moléculas, que a su vez reaccionan para producir compuestos orgánicos e inorgánicos. Los compuestos orgánicos interactúan para producir todos los tipos de macromoléculas que se organizan para formar el primer sistema o célula viviente.
Cortesía de imagen: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg
Por lo tanto, de acuerdo con esta teoría, la "vida" se originó en nuestra tierra espontáneamente a partir de materia no viva. Los primeros compuestos inorgánicos y luego los compuestos orgánicos se formaron de acuerdo con las condiciones ambientales en constante cambio. Esto se llama evolución química que no puede ocurrir bajo las condiciones ambientales actuales en la tierra. Las condiciones adecuadas para el origen de la vida existían solo en la tierra primitiva.
La teoría de Oparin-Haldane también se llama teoría química o teoría naturalista. AI Oparin (1894-1980) fue un científico ruso. Publicó su libro "El origen de la vida" en 1936 y una edición en inglés en 1938. JBS Haldane (1892-1964) nació en Inglaterra pero emigró a la India en julio de 1957 y se estableció en Bhubaneswar, Orissa. Fue biólogo, bioquímico y genetista. Tanto Oparin (1938) como Haldane (1929) dieron puntos de vista similares con respecto al origen de la vida.
Las opiniones modernas sobre el origen de la vida incluyen la evolución química y la evolución biológica:
A. Evolución química (quimiogenia):
1. La fase atómica:
La Tierra primitiva tenía innumerables átomos de todos esos elementos (por ejemplo, hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, azufre, fósforo, etc.) que son esenciales para la formación de protoplasma. Los átomos se segregaron en tres masas concéntricas de acuerdo con su peso, (a) Los átomos más pesados de hierro, níquel, cobre, etc., se encontraron en el centro de la tierra, (b) Los átomos de peso medio de sodio, potasio, silicio, magnesio El aluminio, el fósforo, el cloro, el flúor, el azufre, etc. se recolectaron en el núcleo de la tierra. (c) Los átomos más ligeros de nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, carbono, etc. formaron la atmósfera primitiva.
2. Formación de Moléculas Inorgánicas:
Los átomos libres se combinan para formar moléculas inorgánicas tales como H2 (hidrógeno), N2 (nitrógeno), H2O (vapor de agua), CH4 (metano), NH3 (amoniaco), C02 (dióxido de carbono). Los átomos de hidrógeno fueron los más numerosos y más reactivos en la atmósfera primitiva.
Los primeros átomos de hidrógeno se combinan con todos los átomos de oxígeno para formar agua y no dejan oxígeno libre. Así, la atmósfera primitiva estaba reduciendo la atmósfera (sin oxígeno libre) a diferencia de la atmósfera oxidante actual (con oxígeno libre).
Los átomos de hidrógeno también se combinan con nitrógeno, formando amoníaco (NH 3 ). Así que el agua y el amoniaco fueron probablemente las primeras moléculas de la tierra primitiva.
3. Formación de moléculas orgánicas simples (monómeros):
Las moléculas inorgánicas tempranas interactuaron y produjeron moléculas orgánicas simples tales como azúcares simples (por ejemplo, ribosa, desoxirribosa, glucosa, etc.), bases nitrogenadas (por ejemplo, purinas, pirimidinas), aminoácidos, glicerol, ácidos grasos, etc.
Las lluvias torrenciales deben haber caído. A medida que el agua se precipitaba hacia abajo, debía haberse disuelto y transportado con sales y minerales, y finalmente se había acumulado en forma de océanos. Así, el agua oceánica antigua contenía grandes cantidades de NH 3 disuelto, CH 4, HCN, nitruros, carburos, diversos gases y elementos.
CH 4 + C0 2 + H 2 0 -> Azúcares + Glicerol + Ácidos Grasos
CH 4 + HCN + NH 3 + H 2 0 -> Purinas + Pirimidinas
CH 4 + NH 3 + C0 2 + H 2 0 -> Aminoácidos
Algunas fuentes externas deben haber actuado sobre la mezcla para las reacciones. Estas fuentes externas pueden ser (i) radiaciones solares como luz ultravioleta, rayos X, etc., (ii) energía de descargas eléctricas como rayos, (iii) radiaciones de alta energía son otras fuentes de energía (probablemente isótopos inestables en la tierra primitiva). No había capa de ozono en la atmósfera.
JB Haldane (1920) calificó un caldo de sopa de sustancias químicas formadas en los océanos de la Tierra primitiva desde donde se cree que aparecieron células vivas, como "sopa prebiótica" (también llamada "sopa diluida caliente"). Así se preparó el escenario para la combinación de varios elementos químicos. Una vez formadas, las moléculas orgánicas se acumularon en el agua porque su degradación fue extremadamente lenta en ausencia de catalizadores de enzimas o de vida.
Evidencia experimental de la evolución molecular abiogénica de la vida:
Stanley Miller en 1953, quien era entonces un estudiante graduado de Harold Urey (1893-1981) en la Universidad de Chicago, demostró claramente que la radiación ultravioleta o las descargas eléctricas o el calor o una combinación de estos pueden producir compuestos orgánicos complejos a partir de Mezcla de metano, amoniaco, agua (corriente de agua) e hidrógeno. La proporción de metano, amoníaco e hidrógeno en el experimento de Miller fue de 2: 1: 2.
Miller hizo circular cuatro gases: metano, amoníaco, hidrógeno y vapor de agua en un aparato hermético y pasó las descargas eléctricas de los electrodos a 800 ° C. Pasó la mezcla por un condensador.
Circuló los gases continuamente de esta manera durante una semana y luego analizó la composición química del líquido dentro del aparato. Encontró una gran cantidad de compuestos orgánicos simples, incluidos algunos aminoácidos como la alanina, la glicina y el ácido aspártico. Miller llevó a cabo el experimento para probar la idea de que las moléculas orgánicas podrían sintetizarse en un ambiente reductor.
También estaban presentes otras sustancias, como la urea, el cianuro de hidrógeno, el ácido láctico y el ácido acético. En otro experimento, Miller hizo circular la mezcla de gases de la misma manera, pero no pasó la descarga eléctrica. No pudo obtener el significativo rendimiento de los compuestos orgánicos.
Más tarde, muchos investigadores han sintetizado una gran variedad de compuestos orgánicos, incluyendo purinas, pirimidinas y azúcares simples, etc. Se considera que los "bloques de construcción" esenciales tales como nucleótidos, aminoácidos, etc. de organismos vivos podrían haberse formado en el tierra primitiva
4. Formación de moléculas orgánicas complejas (macromoléculas):
Una variedad de aminoácidos, ácidos grasos, hidrocarburos, purinas y bases de pirimidina, azúcares simples y otros compuestos orgánicos acumulados en los antiguos mares. En la atmósfera primigenia, la descarga eléctrica, los rayos, la energía solar, el ATP y los polifosfatos podrían haber proporcionado la fuente de energía para las reacciones de polimerización de la síntesis orgánica.
SW Fox de la Universidad de Miami ha demostrado que si se calienta una mezcla casi seca de aminoácidos, se sintetizan las moléculas polipeptídicas. De manera similar, los azúcares simples podrían formar polisacáridos y los ácidos grasos podrían combinarse para producir grasas. Los aminoácidos podrían formar proteínas, cuando otros factores estaban involucrados.
Así, las moléculas orgánicas simples pequeñas se combinaron para formar moléculas orgánicas complejas grandes, por ejemplo, unidades de aminoácidos unidas para formar polipéptidos y proteínas, unidades de azúcar simple combinadas para formar polisacáridos, ácidos grasos y glicerol unidos para formar grasas, azúcares, bases nitrogenadas y fosfatos. combinados en nucleótidos que se polimerizan en ácidos nucleicos en los océanos antiguos.
Azúcar + Azúcar ———-> Polisacáridos
Ácidos Grasos + Glicerol ———-> Grasas
Aminoácidos- + Aminoácidos ———–> Proteínas
Bases nitrogenadas + azúcares de pentosa + fosfatos ———> Nucleótidos
Nucleótidos + Nucleótidos ———–> Ácidos nucleicos
¿Cuál vino primero ARN o proteína?
La primera hipótesis del ARN:
A principios de la década de 1980, tres científicos (Leslia Orgel, Francis Crick y Carl Woese) propusieron de forma independiente el mundo del ARN como la primera etapa en la evolución de la vida en la que el ARN catalizaba todas las moléculas necesarias para la supervivencia y la replicación. Thomas Ceck y Sidney Altman compartieron el Premio Nobel de química en 1989 porque descubrieron que el ARN puede ser tanto un sustrato como una enzima.
Si las primeras células utilizaron el ARN como su molécula hereditaria, el ADN evolucionó a partir de una plantilla de ARN. El ADN probablemente no evolucionó como una molécula hereditaria hasta que la vida basada en ARN se incluyó en la membrana. Una vez que las células evolucionaron, el ADN probablemente reemplazó al ARN como el código genético para la mayoría de los organismos.
La primera hipótesis de la proteína:
Varios autores (por ejemplo, Sidney Fox, 1978) afirmaron que un sistema catalítico de proteínas debe haberse desarrollado antes que un sistema replicativo de ácido nucleico. Sidney Fox había demostrado que los aminoácidos se polimerizan abióticamente cuando se exponen al calor seco para formar proteinoides.
Hipótesis de Cairns-Smith:
Fue propuesto por Graham Caims-Smith, según el cual tanto las proteínas como el ARN se originaron al mismo tiempo.
Formación de nucleoproteínas:
Las moléculas de nucleoproteínas gigantes se formaron por la unión de moléculas de ácido nucleico y proteína. Estas partículas de nucleoproteínas fueron descritas como genes de vida libre. Las nucleoproteínas dieron probablemente el primer signo de vida.
B. Evolución biológica (biogenia):
Condiciones para el Origen de la Vida:
Para el origen de la vida, se necesitan al menos tres condiciones.
(a) Debe haber un suministro de replicadores, es decir, moléculas autoproductoras.
(b) La copia de estos replicadores debe haber estado sujeta a error por mutación.
(c) El sistema de replicadores debe haber requerido un suministro continuo de energía libre y un aislamiento parcial del entorno general.
La alta temperatura en la Tierra primitiva habría cumplido con el requisito de mutación.
1. Protobiontes o Protoceldas:
Estos son al menos dos tipos de estructuras bastante simples producidas en el laboratorio: los coacervados de Oparin y las microesferas de Fox que poseen algunos de los requisitos básicos de las proto células.
Aunque estas estructuras se crearon artificialmente, apuntan a la probabilidad de que los recintos de membrana no biológicos (células proto) puedan tener sistemas reactivos sostenidos por al menos cortos períodos de tiempo y conduzcan a la investigación sobre la producción experimental de moléculas que contienen moléculas unidas a membrana, es decir, proto células.
(i) Coacervados:
La primera hipótesis fue propuesta por Oparin (1920). De acuerdo con esta hipótesis, el proto celular temprano podría haber sido un coacervado. Oparin dio el término coacervados. Estas fueron estructuras no vivas que llevaron a la formación de las primeras células vivas a partir de las cuales evolucionaron las células más complejas en la actualidad.
Oparin especuló que una célula proto consistía en carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos que se acumulaban para formar un coacervado. Dicha estructura podría haber consistido en una colección de macromoléculas orgánicas rodeadas por una película de moléculas de agua.
Esta disposición de moléculas de agua, aunque no es una membrana, podría haber funcionado como una barrera física entre las moléculas orgánicas y sus alrededores. Podían tomar selectivamente materiales de su entorno e incorporarlos a su estructura.
Los coacervados se han sintetizado en el laboratorio. Pueden absorber selectivamente los químicos del agua circundante e incorporarlos a su estructura. Algunos coacervados contienen enzimas que dirigen un tipo específico de reacción química.
Debido a que carecen de una membrana definida, nadie dice que los coacervados estén vivos, pero sí exhiben algunos personajes parecidos a la vida. Tienen una organización simple pero persistente. Pueden permanecer en solución por periodos prolongados. Tienen la capacidad de aumentar de tamaño.
(ii) Microesferas:
Otra hipótesis es que el proto celular temprano podría haber sido una microesfera. Una microesfera es una colección no viva de macromoléculas orgánicas con un límite exterior de doble capa. El término microesfera fue dado por Sydney Fox (1958-1964).
Sidney Fox demostró la capacidad de construir microesferas a partir de proteinoides. Los proteinoides son estructuras similares a proteínas que consisten en cadenas ramificadas de aminoácidos. Los proteinoides se forman por la síntesis de deshidratación de aminoácidos a una temperatura de 180 ° C. Fox, de la Universidad de Miami, demostró que es factible combinar aminoácidos simples en polímeros de proteinoides. También demostró la capacidad de construir microesferas a partir de estos proteinoides.
Fox observó pequeñas unidades de células esféricas que surgieron de agregaciones de proteinoides. Estos agregados moleculares fueron llamados microesferas proteinoides. Las primeras formas de vida no celulares podrían haberse originado hace 3 mil millones de años. Habrían sido moléculas gigantes (ARN, proteínas, polisacáridos, etc.).
Las microesferas se pueden formar cuando los proteinoides se colocan en agua hirviendo y se dejan enfriar lentamente. Parte del material proteinoide produce una estructura de doble límite que encierra la microesfera. Aunque estas paredes no contienen lípidos, exhiben algunas características similares a la membrana y sugieren la estructura de una membrana celular.
Las microesferas se hinchan o encogen según el potencial osmótico en la solución circundante. También muestran un tipo de movimiento interno (transmisión) similar al que exhiben las células y contienen algunos proteinoides que funcionan como enzimas. Utilizando ATP como fuente de energía, las microesferas pueden dirigir la formación de polipéptidos y ácidos nucleicos. Pueden absorber material del medio circundante.
Tienen la capacidad de motilidad, crecimiento, fisión binaria en dos partículas y una capacidad de reproducción por brotes y fragmentación. Superficialmente, su brote se parece a los de las bacterias y los hongos.
Según algunos investigadores, las microesferas pueden considerarse primeras células vivas.
2. Origen de los procariotas:
Los procariotas se originaron a partir de proto células hace unos 3.500 millones de años en el mar. La atmósfera era anaeróbica porque el oxígeno libre estaba ausente en la atmósfera. Los procariotas no tienen membrana nuclear, citoesqueleto ni orgánulos complejos. Se dividen por fisión binaria. Algunas de las células fósiles más antiguas conocidas aparecen como partes de estromatolitos. Los estromatolitos se forman hoy a partir de sedimentos y procariotas fotosintéticos (principalmente cinobacterias filamentosas, algas verdes azules).
3. Evolución de los modos de nutrición:
(i) Heterótrofos:
Los primeros procariotas supuestamente obtuvieron energía mediante la fermentación de moléculas orgánicas del caldo de mar en atmósfera libre de oxígeno (atmósfera reductora). Necesitaban material orgánico preparado como alimento y, por lo tanto, eran heterótrofos.
(ii) Autótrofos:
Debido al rápido aumento en el número de heterótrofos, el nutriente del agua de mar comenzó a desaparecer y gradualmente se agotó. Eso llevó a la evolución de los autótrofos. Estos organismos eran capaces de producir sus propias moléculas orgánicas mediante quimiosíntesis o fotosíntesis.
(a) Quimoautótrofos:
Descenso de la temperatura interrumpió la síntesis de moléculas orgánicas en el agua de mar. Algunos de los primeros procariotas se convirtieron en quimioautótrofos que preparaban alimentos orgánicos mediante el uso de la energía liberada durante ciertas reacciones químicas inorgánicas. Estos quimioutótrofos anaeróbicos eran como las bacterias anaeróbicas presentes. Lanzaron CO 2 en la atmósfera.
(b) Fotoautótrofos:
La evolución de la molécula de clorofila permitió a ciertas protocélulas utilizar energía de la luz y sintetizar carbohidratos. Estos eran fotoautótrofos anaeróbicos. No utilizaron agua como fuente de hidrógeno. Eran similares a las bacterias de azufre actuales en las que el sulfuro de hidrógeno se divide en hidrógeno y azufre. El hidrógeno se utilizó en la fabricación de alimentos y el azufre se liberó como producto de desecho.
Los fotoautótrofos aeróbicos utilizan el agua como fuente de hidrógeno y el dióxido de carbono como fuente de carbono para sintetizar carbohidratos en presencia de energía solar. Los primeros fotoautótrofos aeróbicos fueron cianobacterias (algas verdes azules) como formas que tenían clorofila. Liberaron oxígeno en la atmósfera como producto de la fotosíntesis. La principal fuente de variación genética fue la mutación.
Revolución del oxígeno:
A medida que aumentaba el número de fotoautótrofos, se liberaba oxígeno en el mar y la atmósfera. El oxígeno libre que reaccionó con el metano y el amoníaco presente en la atmósfera primitiva y transformó el metano y el amoníaco en dióxido de carbono y nitrógeno libre.
CH 4 + 20 2 ————-> CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 ———–> 2N 2 + 6H 2 O
El fósil más antiguo que pertenece a las algas verde azul, llamado Archaeospheroides barbertonensis, que tiene 3, 2 mil millones de años. Los procariotas liberadores de oxígeno aparecieron por primera vez hace al menos 2.500 millones de años.
4. Formación de la capa de ozono:
A medida que el oxígeno se acumulaba en la atmósfera, la luz ultravioleta transformó parte del oxígeno en ozono.
2O 2 + O 2 ———-> 2O 3
El ozono formó una capa en la atmósfera, bloqueando la luz ultravioleta y dejando la luz visible como la principal fuente de energía.
5. Origen de los eucariotas:
Los eucariotas se desarrollaron a partir de células procariotas primitivas hace unos 1.500 millones de años. Hay dos puntos de vista sobre el origen de los eucariotas.
(i) Origen simbiótico:
Según Margulis (1970-1981) de la Universidad de Boston, algunas células huésped anaeróbicas depredadoras engulleron bacterias aerobias primitivas pero no las digirieron. Estas bacterias aeróbicas se establecieron dentro de las células huésped como simbiontes. Tales células hospedadoras depredadoras se convirtieron en las primeras células eucariotas.
Las células hospedadoras depredadoras que envolvieron las bacterias aeróbicas se convirtieron en células animales, mientras que las que capturaron tanto las bacterias aeróbicas como las algas verde-azules se convirtieron en células vegetales eucarióticas. Las bacterias aeróbicas se establecieron como mitocondrias y algas verdes azules como cloroplastos.
(ii) Origen por Invaginación:
De acuerdo con este punto de vista, los orgánulos celulares de células eucariotas podrían haberse originado por invaginación de la membrana superficial de células procariotas primitivas.
